Erneuerbare Energien und Klimaschutz

Vorwort Volker Quaschning Erneuerbare Energien und Klimaschutz Hintergründe - Techniken - Anlagenplanung - Wirtschaftlichkeit ISBN: 978-3-446-41961-2 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41961-2 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Vorwort Die Energie- und Klimaproblematik ist endlich dort angekommen, wo sie hingehört: in der breiten Öffentlichkeit. Dabei sind die Zusammenhänge von Energieverbrauch und Klima- erwärmung bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. Schon Ende der 1980er-Jahre erklärte die damalige deutsche Bundesregierung Klimaschutz zum Regierungsziel. Zahlreiche Ex- perten forderten bereits damals den schnellen Umbau unserer Energieversorgung. Die da- für nötigen Schritte erfolgten allerdings bestenfalls halbherzig. Dabei lässt sich das Klima- problem nicht aussitzen. Von Jahr zu Jahr wird immer deutlicher erkennbar, dass der Klimawandel bereits eingesetzt hat. Die Prognosen der Klimaforscher sind verheerend. Gelingt es uns nicht, die Notbremse zu ziehen, werden die katastrophalen Folgen des Kli- mawandels unsere heutigen Vorstellungsgrenzen weit überschreiten. Die Verleihung des Friedensnobelpreises im Jahr 2007 an den Klimapolitiker Al Gore und den Weltklimarat, die seit Jahren eindringlich vor den Klimafolgen warnen, sind eher ein Zeichen der Hilf- losigkeit als einer nahenden Lösung des Problems. Neben den Klimafolgen zeigen immer neue Rekorde bei den Preisen für Erdöl oder Erd- gas, dass diese unseren Bedarf nicht mehr lange decken können und schnellstmöglich an- dere Alternativen erschlossen werden müssen. Die Lösung ist dabei recht simpel. Sie lautet: regenerative Energien. Diese wären in der Lage, in nur wenigen Jahrzehnten unsere gesamte Energieversorgung vollständig zu über- nehmen. Nur so können wir unsere Abhängigkeit von immer teurer werdenden und Krisen verursachenden Energieträgern wie Erdöl oder Uran beenden und unseren Energiehunger nachhaltig klimaverträglich stillen. Der Weg dahin ist aber für viele noch ziemlich unklar. Oft traut man den regenerativen Energien nicht zu, eine wirkliche Alternative zu bieten. Dabei unterschätzt man völlig deren Möglichkeiten und prophezeit ein Zurück zur Steinzeit, wenn einmal das Erdöl und die Kohle erschöpft sein werden. Dieses Buch soll solche Vorurteile zerstreuen. Es beschreibt klar und verständlich, welche verschiedenen Techniken und Potenziale zur Nutzung regenerativer Energien existieren, wie diese funktionieren und wie sie eingesetzt werden können. Das Zusammenspiel der verschiedenen Technologien ist dabei stets im Fokus. Am Beispiel Deutschlands wird auf- 5 Vorwort gezeigt, wie eine nachhaltige Energieversorgung aussehen kann und wie diese umzusetzen ist. Dabei dient dieses Buch weniger als Handlungskatalog für eine zögerliche Politik, son- dern soll vielmehr allen Leserinnen und Lesern Wege aufzeigen, selbst Beiträge für eine klimaverträgliche Energiewirtschaft zu leisten. Neben der Erläuterung von Energiespar- maßen liefert das Buch dazu konkrete Planungshilfen für die Realisierung eigener regene- rativer Energieanlagen. Das Buch ist bewusst so geschrieben, dass es einem breiten Leserkreis die nötigen Infor- mationen bietet. Es soll sowohl den Einstieg in die verschiedenen Technologien ermögli- chen als auch für Personen mit einigen Vorkenntnissen interessante Hintergrundinforma- tionen liefern. Damit ist dieses Buch eine wichtige Ergänzung zu dem von mir verfassten und bereits beim Hanser Verlag erschienenen Fachbuch „Regenerative Energiesysteme“. Das große Interesse an dem mittlerweile in der sechsten Auflage erschienenen und ins Englische und ins Arabische übersetzten Fachbuch hat gezeigt, dass ein Bedarf an entsprechender Litera- tur besteht. Als Rückmeldung zu diesem Fachbuch und zu zahlreichen meiner Vorträge wurde stets das Interesse an einem allgemeinverständlichen, aber dennoch umfassenden Buch geäußert. Das neue Buch soll nun diese Lücke schließen und damit auch eine Unter- stützung bei der Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung liefern. An dieser Stelle danke ich meiner Frau Cornelia, meinem Vater Günter, meinem Onkel Manfred sowie Friedrich Sick, die mit ihren Anregungen zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Ein ganz besonderer Dank gilt auch dem Carl Hanser Verlag und im Speziellen Erika Hotho, Franziska Kaufmann und Mirja Werner für die Unterstützung und Realisierung dieses Buches. Berlin, im Sommer 2008 Prof. Dr. Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin www.volker-quaschning.de Vorwort zur 2. Auflage Die sehr guten Verkaufszahlen und die positive Resonanz zu diesem Fachbuch haben ge- zeigt, dass die Thematik und die Art der Darstellung auf ein breites Interesse gestoßen sind. Trotz sorgfältigster Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten nur selten völlig vermeiden. Ein besonderer Dank gilt daher allen Leserinnen und Lesern, die mit Hinweisen zur Beseitigung von Fehlern beigetragen haben. Darüber hinaus wurde diese Auflage aktualisiert, sodass nur neuestes Datenmaterial enthalten ist. Prof. Dr. Volker Quaschning 6

Inhaltsverzeichnis Volker Quaschning Erneuerbare Energien und Klimaschutz Hintergründe - Techniken - Anlagenplanung - Wirtschaftlichkeit ISBN: 978-3-446-41961-2 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41961-2 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Inhalt 1  Unser Hunger nach Energie .................................................................................. 13  1.1  Energieversorgung – gestern und heute ................................................................................. 14  1.1.1  Von der französischen Revolution bis ins 20. Jahrhundert ....................................... 14  1.1.2  Die Epoche des schwarzen Goldes ........................................................................... 17  1.1.3  Erdgas – der jüngste fossile Energieträger................................................................ 20  1.1.4  Atomkraft – gespaltene Energie ............................................................................... 21  1.1.5  Das Jahrhundert der fossilen Energieträger .............................................................. 25  1.2  Energiebedarf – wer was wo wie viel verbraucht ................................................................... 26  1.3  Die SoDa-Energie .................................................................................................................. 30  1.4  Energievorräte – Reichtum auf Zeit ....................................................................................... 33  1.5  Das Ende der Spaltung ........................................................................................................... 35  1.6  Heutige Ölpreise – Politik, Angebot und Nachfrage .............................................................. 36  2  Klima vor dem Kollaps? ........................................................................................ 38  2.1  Es ist warm geworden – Klimaveränderungen heute ............................................................. 38  2.1.1  Langsam schmilzt das Eis......................................................................................... 38  2.1.2  Naturkatastrophen kommen häufiger........................................................................ 41  2.2  Schuldiger gesucht – Gründe für den Klimawandel ............................................................... 43  2.2.1  Der Treibhauseffekt .................................................................................................. 43  2.2.2  Hauptverdächtiger Kohlendioxid.............................................................................. 44  2.2.3  Andere Übeltäter ...................................................................................................... 49  2.3  Aussichten und Empfehlungen – was kommt morgen?.......................................................... 51  2.3.1  Wird es in Europa bitterkalt? .................................................................................... 53  2.3.2  Empfehlungen für einen wirksamen Klimaschutz .................................................... 56  2.4  Schwere Geburt – Politik und Klimawandel .......................................................................... 56  2.4.1  Deutsche Klimapolitik .............................................................................................. 56  2.4.2  Klimapolitik international......................................................................................... 58  2.5  Selbsthilfe zum Klimaschutz .................................................................................................. 60  3  Vom Energieverschwenden zum Energie- und Kohlendioxidsparen ................ 61  3.1  Wenig effizient – Energiever(sch)wendung heute.................................................................. 61  7 Inhalt 3.2  Privater Energiebedarf – zu Hause leicht gespart................................................................... 65  3.2.1  Private Elektrizität – viel Geld verschleudert ........................................................... 65  3.2.2  Wärme – fast ohne heizen durch den Winter............................................................ 68  3.2.3  Transport – mit weniger Energie weiterkommen ..................................................... 73  3.3  Industrie und Co – schuld sind doch nur die anderen............................................................. 76  3.4  Die eigene Kohlendioxidbilanz .............................................................................................. 77  3.4.1  Direkt selbst verursachte Emissionen ....................................................................... 77  3.4.2  Indirekt verursachte Emissionen .............................................................................. 78  3.4.3  Gesamtemissionen.................................................................................................... 81  3.5  Ökologischer Ablasshandel.................................................................................................... 82  4  Kohlendioxidfreie Energieversorgung – Vision oder Utopie? ........................... 85  4.1  Optionen einer kohlendioxidfreien Energieversorgung ......................................................... 86  4.1.1  Effiziente Kraftwerke – mehr Strom mit weniger Kohlendioxid.............................. 86  4.1.2  Kohlendioxidsequestrierung – weg mit dem Kohlendioxid ..................................... 87  4.1.3  Atomkraft – strahlend sauber ................................................................................... 89  4.1.4  Kraft-Wärme-Kopplung – Brennstoff doppelt genutzt ............................................. 90  4.1.5  Energiesparen – mit weniger mehr erreichen ........................................................... 91  4.2  Regenerative Energiequellen – Angebot ohne Ende .............................................................. 93  4.3  Wege zum Klimaschutz ......................................................................................................... 94  4.3.1  Runter mit dem Primärenergiebedarf ....................................................................... 95  4.3.2  Stromerzeugung ganz ohne atomare und fossile Kraftwerke ................................... 97  4.3.3  Dämmung und regenerative Energien zur Wärmeversorgung .................................. 98  4.3.4  Effizienzsteigerung und neue Konzepte für den Verkehr ......................................... 99  4.4  Sichere Versorgung mit regenerativen Energien .................................................................. 100  5  Photovoltaik – Strom aus Sand .......................................................................... 102  5.1  Aufbau und Funktionsweise................................................................................................. 103  5.1.1  Elektronen, Löcher und Raumladungszonen .......................................................... 103  5.1.2  Wirkungsgrad, Kennlinien und der MPP................................................................ 105  5.2  Herstellung von Solarzellen – vom Sand zur Zelle .............................................................. 108  5.2.1  Siliziumsolarzellen – Strom aus Sand .................................................................... 108  5.2.2  Von der Zelle zum Modul ...................................................................................... 110  5.2.3  Dünnschichtsolarzellen .......................................................................................... 111  5.3  Photovoltaikanlagen – Netze und Inseln .............................................................................. 112  5.3.1  Sonneninseln .......................................................................................................... 112  5.3.2  Sonne am Netz ....................................................................................................... 115  5.4  Planung und Auslegung ....................................................................................................... 119  5.4.1  Geplant am Netz ..................................................................................................... 119  5.4.2  Geplante Inseln....................................................................................................... 124  5.5  Ökonomie ............................................................................................................................ 125  5.5.1  Was kostet sie denn? .............................................................................................. 126  5.5.2  Förderprogramme ................................................................................................... 127  5.5.3  Es geht auch ohne Mehrwertsteuer......................................................................... 128  5.

Leseprobe Volker Quaschning Erneuerbare Energien und Klimaschutz Hintergründe - Techniken - Anlagenplanung - Wirtschaftlichkeit ISBN: 978-3-446-41961-2 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41961-2 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München 1 1 Unser Hunger nach Energie Wer kennt sie nicht, die TV-Kultserie Raumschiff Enterprise. Dank ihr wissen wir bereits heute, dass man sich in nicht allzu ferner Zukunft aufmachen wird, die unendlichen Weiten des Weltraums zu erforschen. Die Energiefrage ist dann längst gelöst. Der im Jahr 2063 erfundene Warpantrieb liefert unbegrenzt Energie, mit der Captain Kirk sein Raumschiff Enterprise mit Überlichtgeschwindigkeit zu neuen Abenteuern steuern kann. Energie ist im Überfluss vorhanden, auf der Erde herrschen Friede und Wohlstand und Umweltprobleme gibt es nicht mehr. Doch vollkommen gefahrlos ist auch diese Art der Energieversorgung nicht. Einen Warpkernbruch schaut man sich am besten aus sicherer Entfernung an, wie seinerzeit den Super-GAU eines antiken Kernkraftwerks. Und auch das Warpplasma ist eine nicht ganz ungefährliche Materie, wie der regelmäßige Fernsehserienzuschauer zu be- richten weiß. Leider − oder manchmal auch zum Glück − sind die Fiktionen der Traumfabriken weit vom wirklichen Leben entfernt. Die Erfindung des Warpantriebs erscheint aus heutiger Sicht recht unwahrscheinlich, auch wenn dies eingefleischte Star-Trek-Fans anders sehen mögen. Derzeit ist man noch nicht einmal ansatzweise in der Lage, die vergleichsweise simple Kernfusion zu beherrschen. Somit müssen wir zur Lösung unseres Energieproblems auf heute bekannte und auch funktionierende Techniken mitsamt ihren Problemen zurück- greifen. In der Realität hatte die Energienutzung schon immer spürbare Einflüsse auf die Umwelt. Die aus heutiger Sicht mangelhafte Verbrennung von Holz und die damit verbundenen ge- sundheitsschädlichen Abgase rund um die Feuerstätten haben beispielsweise die Lebenser- wartung unserer Ahnen deutlich reduziert. Eine schnell steigende Weltbevölkerung, zuneh- mender Wohlstand und der damit verbundene Energiehunger haben den Bedarf an Energie sprunghaft ansteigen lassen. Waren die durch den Energiebedarf ausgelösten Umweltpro- bleme bislang stets regional begrenzt, haben die Auswirkungen unseres Energiehungers mittlerweile eine globale Dimension erreicht. Das globale Klima droht chaotische Verhält- nisse anzunehmen. Unser Energieverbrauch ist dabei Hauptauslöser der weltweiten Klima- erwärmung. Resignation oder Furcht sind aber die falschen Antworten auf die immer größer werdenden Probleme. Es gibt Alternativen zur heutigen Energieversorgung. Es ist möglich, eine langfristig sichere und bezahlbare Energieversorgung aufzubauen, die nur 13 1 Unser Hunger nach Energie minimale und beherrschbare Umweltauswirkungen haben wird. Dieses Buch beschreibt, wie diese Energieversorgung aussehen muss und welchen Beitrag jeder Einzelne leisten kann, damit wir doch noch gemeinsam das Klima retten können. Zuerst ist es aber erfor- derlich, die Ursachen der heutigen Probleme näher zu betrachten. 1.1 Energieversorgung – gestern und heute 1.1.1 Von der französischen Revolution bis ins 20. Jahrhundert Zu Zeiten der französischen Revolution, also gegen Ende des 18. Jahrhunderts war in Europa die tierische Muskelkraft die wichtigste Energiequelle. Damals standen 14 Millio- nen Pferde und 24 Millionen Rinder mit einer Gesamtleistung von rund 7,5 Milliarden Watt als Arbeitstiere zur Verfügung [Köni99]. Dies entspricht immerhin der Leistung von mehr als 100 000 Mittelklasseautos. Leistung und Energie oder andersherum Die Begriffe Leistung und Energie hängen untrennbar zusammen. Obwohl alle die Unterschiede schon mal im Physikunterricht gehört haben sollten, werden beide Be- griffe gerne verwechselt und fehlerhaft verwendet. Die Energie ist die gespeicherte Arbeit, also die Möglichkeit Arbeit zu verrichten. Energie heißt auf Englisch „energy“ und trägt das Formelzeichen E. Die Arbeit heißt auf Englisch „work“ und wird mit dem Formelzeichen W abgekürzt. Die Leistung (engl.: „power“, Formelzeichen: P) gibt an, in welcher Zeit die Arbeit verrichtet oder die Energie verbraucht wird. W ⎛ Arbeit ⎞ P= ⎜ Leistung = ⎟ t ⎝ Zeit ⎠ Wenn zum Beispiel eine Person einen Eimer Wasser hochhebt, ist dies eine Arbeit. Durch die verrichtete Arbeit wird die Lageenergie des Wassereimers vergrößert. Wird der Eimer doppelt so schnell hochgehoben, ist die benötigte Zeit geringer, die Leistung ist doppelt so groß, auch wenn die Arbeit die gleiche ist. Die Einheit der Leistung ist Watt (Abkürzung: W). Für die Abkürzung der Einheit Watt wird der gleiche Buchstabe wie für das Formelzeichen der Arbeit verwendet, was die Unterscheidung nicht gerade erleichtert. Die Einheit der Energie ist Wattsekunde (Ws) oder Joule (J). Daneben werden noch andere Einheiten verwendet. Anhang A.1 beschreibt eine Umrechnung zwischen verschiedenen Ener- gieeinheiten. Da die benötigten Leistungen und Energien oft sehr groß sind, werden häufig Vorsatzzeichen wie Mega (M), Giga (G), Tera (T), Peta (P) oder Exa (E) verwendet (vgl. Anhang A.1). 14 1.1 Energieversorgung – gestern und heute Das zweite Standbein der damaligen Energieversorgung war Brennholz, und zwar mit stra- tegischer Bedeutung. Heute geht man davon aus, dass die Verlagerung des Machtzentrums aus dem Mittelmeerraum in die Gebiete nördlich der Alpen unter anderem auf den dortigen Waldreichtum und die damit verbundenen Energiepotenziale zurückzuführen ist. Nachdem die islamische Welt noch bis ins 15. Jahrhundert auf der iberischen Halbinsel eine Vor- machtstellung bewahren konnte, schwand ihr Einfluss unter anderem durch Holzmangel. Es fehlte zunehmend an Brennholz zum Einschmelzen von Metall für Schiffskanonen und andere Waffen. Energiekrisen sind also nicht erst eine Erfindung des späten 20. Jahrhun- derts. Abbildung 1.1 Brennholz, Arbeitstiere, Wind- und Wasserkraft deckten noch im 18. Jahrhundert weitgehend die weltweite Energieversorgung Neben Muskelkraft und Brennholz wurden bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts auch andere erneuerbare Energien intensiv genutzt. Ende des 18. Jahrhunderts waren in Europa zwischen 500 000 und 600 000 Wassermühlen im Einsatz. Die Windkraftnutzung fand vor allem in flachen Gegenden mit hohem Windangebot Verbreitung. In den vereinigten Niederlanden waren zum Beispiel Ende des 17. Jahrhunderts rund 8 000 Windmühlen in Betrieb. 15 1 Unser Hunger nach Energie Fossile Energieträger waren lange Zeit nur von untergeordneter Bedeutung. Steinkohle aus Lagerstätten unter der Erdoberfläche war als Energieträger zwar durchaus bekannt, wurde jedoch weitgehend gemieden. Erst als der Mangel an Holz in einigen Gebieten Europas zu Energieengpässen führte, begann man, die Kohlevorkommen zu erschließen. Die höhere Energiedichte der Steinkohle erwies sich außerdem als vorteilhaft bei der Stahlherstellung. Ihr Vormarsch ließ sich nicht mehr bremsen: Während um das Jahr 1800 noch 60 Prozent der Steinkohle in Haushalten für Heizzwecke diente, überwog bereits 40 Jahre später der Einsatz in Eisenhütten und in der Produktion. Fossile Energieträger − gespeicherte Sonnenenergie Fossile Energieträger sind konzentrierte Energieträger, die in sehr langen Zeiträu- men aus tierischen oder pflanzlichen Überresten entstanden sind. Zu den fossilen Energieträgern zählen Erdöl, Erdgas, Steinkohle, Braunkohle und Torf. Die Ausgangsstoffe fos- siler Energieträger konnten nur durch Umwandlung von Sonnenstrahlung über Jahrmillionen entstehen. Somit sind fossile Energieträger eine Form von gespeicherter Sonnenenergie. Chemisch gesehen basieren fossile Energieträger auf organischen Kohlenstoff-Verbindungen. Bei der Verbrennung mit Sauerstoff entsteht daher nicht nur Energie in Form von Wärme, son- dern immer auch das Treibhausgas Kohlendioxid sowie weitere Verbrennungsprodukte. Um 1530 förderten Kohlebergwerke in Großbritannien ungefähr 200 000 Tonnen, um 1750 etwa 5 Millionen Tonnen und im Jahr 1854 bereits 64 Millionen Tonnen. Haupt- kohleförderländer waren neben Großbritannien die USA und Deutschland, die um das Jahr 1900 gemeinsam einen Anteil von 80 Prozent an der Weltproduktion besaßen [Köni99]. Erneuerbare Energien − gar nicht so neu Die Vorkommen an fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas oder Kohle sind be- grenzt. Sie werden in einigen Jahrzehnten verbraucht und damit einfach weg sein. Erneuerbare Energieträger „erneuern“ sich hingegen von selbst. Entzieht ein Wasserkraftwerk beispielsweise einem Fluss die Kraft des Wassers, hört dadurch der Fluss nicht auf zu fließen.